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4 TÍTULO Energía solar térmica DIRECCIÓN TÉCNICA Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía AUTOR DE APIA José Manuel López-Cózar AGRADECIMIENTOS Se agradecen todas las aportaciones de documentación fotográfica que aparecen en este manual Este manual forma parte de una colección de 7 títulos dedicados a las energías renovables; uno de carácter general y seis monografías sobre las diferentes tecnologías. La colección es fruto de un convenio de colaboración firmado por el Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE) y la Asociación de Periodistas de Información Ambiental (APIA). Esta publicación ha sido producida por el IDAE y está incluida en su fondo editorial, dentro de la Serie Manuales de Energías Renovables. Cualquier reproducción, total o parcial, de la presente publicación debe contar con la aprobación del IDAE IDAE Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía C/ Madera, 8 E Madrid Madrid, octubre de 2006

5 INTRODUCCIÓN EL SOL, FUENTE INAGOTABLE DE ENERGÍA El Sol y la Tierra La Radiación solar Soleamiento SITUACIÓN ACTUAL La energía solar térmica en el mundo Situación en Europa Situación en España TECNOLOGÍAS Y APLICACIONES Cómo se aprovecha la energía solar Funcionamiento de una instalación solar Mantenimiento Elementos principales de una instalación solar Captadores solares Sistema de distribución Almacenamiento Sistema de apoyo convencional

6 Energía Solar Térmica 3.4 Usos y aplicaciones Producción de agua caliente sanitaria Sistemas de calefacción Climatización de piscinas Refrigeración en edificios Usos en la industria Otras aplicaciones Aspectos técnicos Tecnologías de baja temperatura Tecnologías de media y alta temperatura Aspectos económicos Es rentable la energía solar? Cuánto cuesta una instalación solar? En cuánto tiempo se puede amortizar la inversión? Cuáles son los costes de operación o mantenimiento? La energía solar sería competitiva sin subvenciones públicas? VENTAJAS DE LA ENERGÍA SOLAR Beneficios ambientales Arquitectura bioclimática Beneficios socioeconómicos

7 5 EJEMPLOS DE INSTALACIONES EL FUTURO DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Plan de Energías Renovables en España Código Técnico de la Edificación Ordenanzas municipales Ventajas fiscales SABER MÁS Origen de la arquitectura bioclimática Breves apuntes históricos sobre la energía solar Curiosidades ANEXOS I. Legislación II. Direcciones de interés III. Bibliografía

8 Energía Solar Térmica

9 7 Introducción El Plan de Energías Renovables , aprobado en agosto de 2005 en Consejo de Ministros, tiene como objetivo básico que en el 2010 el 12% de la energía primaria consumida en España provenga de energías renovables. Para cubrir este objetivo, en el caso de las solar térmica a baja temperatura (objeto de esta guía) establece la instalación de 4,2 millones de metros cuadrados en el período Este objetivo es ambicioso, pero alcanzable si se ponen en marcha un conjunto de medidas innovadoras, a desarrollar en los próximos años de acuerdo con lo previsto en el Plan. Entre estas medidas destacan la reciente aprobación del Código Técnico de la Edificación, la continuidad de apoyos públicos a la inversión en este tipo de instalaciones, el apoyo a la aprobación de nuevas ordenanzas municipales y el apoyo a la mejora de los captadores y modernización de las líneas de fabricación. El desarrollo de la energía solar en Europa pasa por el apoyo institucional para las nuevas aplicaciones. Así, desde la Comisión Europea se están promoviendo programas y directivas de apoyo a la producción de calor y frío con energía solar. Esta última aplicación tiene un gran futuro en España, por lo que se están empezando a realizar proyectos demostrativos que permitan difundir la aplicación y ganar experiencia en la ejecución de instalaciones.

10 8 Energía Solar Térmica No obstante, el desarrollo de la energía solar en un futuro próximo va a ser a través de las aplicaciones ya consolidadas, como el agua caliente sanitaria, la climatización de piscinas y la calefacción. Asimismo, la energía solar va a tener su principal desarrollo en las áreas urbanas. Por ello, los profesionales que desarrollan su actividad en este importante mercado tienen que conjugar la sencillez en el diseño con la calidad y minimización del impacto de la instalación, tareas difíciles de conjugar en numerosas ocasiones, pero que serán la clave para conseguir ganar la batalla de la integración arquitectónica de la energía solar térmica. Este manual nace como consecuencia de la necesidad de clarificar aspectos básicos sobre la energía solar térmica, profundizar en algunos temas para el que ya ha estudiado superficialmente esta energía y, en general, para todo el mundo interesado en la diversificación de la energía a través de esta tecnología. Por ello, este manual describe los aspectos técnicos, económicos y administrativos de la energía solar térmica con un lenguaje claro y sencillo, con el objetivo de satisfacer al mayor número posible de ciudadanos. Además, se analiza el panorama nacional e internacional de la energía solar térmica, incluyendo información sobre legislación, contactos de interés y casos concretos de instalaciones de producción de agua caliente sanitaria y climatización de piscinas en viviendas y edificios públicos, y que actualmente están en funcionamiento en España.

11 1 El Sol, fuente inagotable de energía

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13 11 1 El Sol, fuente inagotable de energía 1.1 El Sol y la Tierra Desde que en 1957 la por entonces Unión Soviética lanzase el Sputnik I hemos tenido la oportunidad de contemplar en miles de ocasiones la Tierra desde el espacio. Pese a que las imágenes que llegan por satélite nos dan la sensación de que nuestro planeta es un globo autónomo de luz y color que flota en un espacio oscuro, nada más lejos de la realidad. Lo cierto es que no es posible entender la vida en nuestro planeta sin la influencia del exterior. La Tierra es sólo un mundo pequeño en la órbita de una estrella que, aunque es de lo más corriente en la inmensidad del universo, resulta fundamental para nuestra existencia. Y es que casi toda la energía de que disponemos proviene del Sol. Él es la causa de las corrientes de aire, de la evaporación de las aguas superficiales, de la formación de nubes, de las lluvias y, por consiguiente, el origen de otras formas de energía renovable, como el viento, las olas o la biomasa. Su calor y su luz son la base de numerosas reacciones químicas indispensables para el desarrollo de las plantas, de

14 12 Energía Solar Térmica los animales y, en definitiva, para que pueda haber vida sobre la Tierra. El Sol es, por tanto, la principal fuente de energía para todos los procesos que tienen lugar en nuestro planeta. Localizado a una distancia media de 150 millones de kilómetros, tiene un radio de 109 veces el de la Tierra y está formado por gas a muy alta temperatura. En su núcleo se producen continuamente reacciones atómicas de fusión nuclear que convierten el hidrógeno en helio. Este proceso libera gran cantidad de energía que sale hasta la superficie visible del Sol (fotosfera), y escapa en forma de rayos solares al espacio exterior. La Tierra vista desde el espacio. Imagen del Meteosat 2. (Foto cedida por Agencia Solar Europea (ESA)) Se calcula que en el interior del Sol se queman cada segundo unos 700 millones de toneladas de hidrógeno, de las que 4,3 millones se transforman en energía. Una parte importante de esta energía se emite a través de los rayos solares al resto de planetas, lunas, asteroides y cometas que componen nuestro sistema solar. Más concretamente, hasta la Tierra llega una cantidad de energía solar equivalente a 1,7x1014 kw, lo que representa la potencia correspondiente a 170 millones de reactores nucleares de MW de potencia eléctrica unitaria, o lo que es lo mismo, veces el consumo energético mundial. Si tenemos en cuenta que las previsiones actuales apuntan a que, en los próximos millones de años, el Sol tan solo consumirá el diez por ciento del hidrógeno que contiene en su interior, podemos asegurar que disponemos de una fuente de energía gratuita, asequible a todos (cualquier país puede disponer de ella) y respetuosa con el medio ambiente, por un periodo de tiempo prácticamente ilimitado.

15 1.2 La radiación solar Cualquier persona que quiera aprovechar la energía solar debe ser capaz, en primer lugar, de responder a la pregunta de qué cantidad de energía llegará al lugar donde prevé realizar la captación; o sea, qué irradiancia solar recibirá por unidad de superficie. Para ello, habrá que empezar por saber qué es y cómo se comporta la radiación solar, así como cuánta energía es posible captar en función de la región del mundo en la que nos encontremos. El Sol, fuente inagotable de energía 13 Como punto de partida debemos tener en cuenta que la luz es una de las formas que adopta la energía para trasladarse de un lugar a otro. En el caso del Sol, los rayos solares se propagan a través del espacio en forma de ondas electromagnéticas de energía. Este fenómeno físico, más conocido como radiación solar, es el responsable de que nuestro planeta reciba un aporte energético continuo de aproximadamente W/m 2. Un valor que recibe el nombre de constante solar y que, al cabo de un año, equivaldría a 20 veces la energía almacenada en todas las reservas de combustibles fósiles del mundo (petróleo, carbón ). Sin embargo, no toda la radiación que llega hasta la Tierra sobrepasa las capas altas de la atmósfera. Debido a los procesos que sufren los rayos solares cuando entran en contacto con los diferentes gases que componen la atmósfera, una tercera parte de la energía solar interceptada por la Tierra vuelve al espacio exterior, mientras que las dos terceras partes restantes penetran hasta la superficie terrestre. Este hecho se debe a que las proporciones de vapor de agua, metano, ozono y dióxido de carbono (CO 2 ) actúan como una barrera protectora. Una capa En el interior del Sol se queman cada segundo unos 700 millones de toneladas de hidrógeno. (Imagen cedida por la ESA)

16 14 Energía Solar Térmica Solsticio de verano 21 de Junio = + 23,45 0 Orbita terrestre alrededor del Sol. El eje de la Tierra está inclinado en un ángulo de 23,5 Equinoccio de primavera 21 de Marzo Equinoccio de otoño 21 de Septiembre de protección que, entre otras cosas, permite que no se produzcan cambios de temperatura demasiado extremos en la superficie terrestre, así como que exista agua líquida desde hace miles de millones de años. A la pérdida de aporte energético que se produce en las capas superiores de la atmósfera hay que añadir otras variables que influyen en la cantidad de radiación solar que llega hasta un = - 23,45 0 Solsticio de invierno 21 de Diciembre punto determinado del planeta. Como es de imaginar, no todas las superficies reciben la misma cantidad de energía. Así, mientras los polos son los que menor radiación reciben, los trópicos son los que están expuestos a una mayor radiación de los rayos solares. Esto tiene su explicación en el grado de inclinación de nuestro planeta con respecto al Sol (23,5 ). La intensidad de radiación no será igual cuando los rayos solares estén perpendiculares a la superficie irradiada que cuando el ángulo de incidencia sea más oblicuo, tal y como ocurre en los polos. La declinación del Sol, pues, es la razón de que los mayores valores de radiación no se produzcan en el ecuador sino en latitudes por encima y por debajo de los trópicos de Cáncer y Capricornio. En estas zonas es donde los rayos solares son más perpendiculares y atraviesan una capa atmosférica más fina hasta llegar a su destino. Pero para establecer, con exactitud, la cantidad de energía que se puede aprovechar en un sitio concreto, también habrá que tener en cuenta otros aspectos como la hora del día, la estación del año y muy especialmente las condiciones atmosféricas. En los días nublados disminuirá considerablemente la intensidad de la radiación y por lo tanto el aporte energético que

17 El Sol, fuente inagotable de energía 15 pueda recibir una instalación de energía solar térmica. Aunque la relación entre las variaciones en la nubosidad y la radiación solar es compleja, probablemente este factor es el más importante a la hora de poder calcular la energía que llega a un punto concreto de la superficie terrestre. Esto no quiere decir que en zonas donde hay menos horas de sol, como el norte de Europa, la energía solar constituya un aporte energético desdeñable. La suma de la radiación solar directa y la radiación difusa en ciudades como Berlín, Hamburgo o Zurich alcanzan valores medios de KWh/m 2 lo que equivale, para hacernos una idea, a entre 110 y 115 litros de gasolina por m 2 y año. Por radiación solar directa entendemos aquella que llega a la superficie sin haber sufrido cambios de dirección (por ejemplo, la luz cegadora al mirar el Sol), mientras que con radiación difusa nos referimos a la que llega a la superficie sin orientación determinada (días cubiertos). La suma de todas las variables anteriormente mencionadas nos permiten conformar el mapa solar de una región determinada del planeta y establecer qué cantidad de energía media podremos captar para su uso en el ámbito doméstico, industrial, etc. En el caso concreto de España se juntan todos los requisitos para ser uno de los países europeos con mayor capacidad para recoger la energía del Sol: una situación geográfica privilegiada, con una climatología envidiable. Situada entre los 36 y los 44 latitud Norte, nuestro país recibe una intensidad de radiación solar muy superior a la de otras regiones del planeta (incluso por encima de las zonas ecuatoriales). Además, España se ve particularmente favorecida con respecto a otros países de Europa por la gran cantidad de días sin nubes que disfruta al año. No en vano, sobre cada metro cuadrado de suelo inciden al año una media de kwh de energía, cifra similar a la de muchas regiones de América Central y del Sur. En el norte de Europa el aporte energético no es, a pesar de la menor cantidad de horas de sol, nada desdeñable

18 16 Energía Solar Térmica 1.3 Soleamiento Según la forma de recoger la radiación solar podremos obtener energía térmica o transformarla en electricidad, dependiendo de la tecnología utilizada en cada caso. El calor se logra mediante los captadores solares térmicos, mientras que la electricidad, por lo general, se consigue a través de los llamados módulos fotovoltaicos. Ambos procesos nada tienen que ver entre sí, ni en cuanto a su tecnología ni en su aplicación. Puesto que en esta guía nos centraremos exclusivamente en el aporte de energía generado por instalaciones solares térmicas, a la hora de efectuar un estudio de viabilidad habrá que considerar, sobre todo, el número de horas de sol, ya que los captadores solares obtendrán rendimientos muy superiores cuando los rayos les alcancen de forma directa. Por el contrario, para los paneles fotovoltaicos se deberá tener más en cuenta los valores de radiación difusa, porque estos paneles aprovechan mucho mejor la energía dispersa, incluso en condiciones de cielo cubierto. Visto lo visto, España tiene ante sí un amplio potencial de desarrollo de energía solar térmica, con una media de horas de sol aseguradas al año. La poca nubosidad, la baja humedad ambiental, el clima seco y la incidencia de los rayos solares, hacen que nuestro país obtenga unos valores de radiación directa envidiables. Aún así, existen evidentes diferencias entre las distintas comunidades españolas. Según los datos disponibles, existe un gran contraste entre las comunidades del Cantábrico, que rondan las horas de sol al año, y las mediterráneas, que alcanzan las horas de sol anuales. Estas diferencias están motivadas por la presencia de varias zonas climáticas en el interior de la Península Ibérica, lo que explica porqué algunas zonas del norte de España reciben menos horas de sol que incluso regiones del centro de Europa, como Viena, con horas de sol al año.

19 El Sol, fuente inagotable de energía 17 Las provincias del sur de Andalucía y Canarias son las que concentran mayor número de horas de sol anuales, alcanzando las Teniendo en cuenta que en la actualidad no se aprovecha ni el 10% de la energía que nos ofrece el Sol, las posibilidades de desarrollo son realmente espectaculares Mapa solar en España. La cifra superior representa la energía en KWh que incide por m 2. En la inferior el número de horas de sol al año

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21 2 Situación actual

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23 21 2 Situación actual 2.1 La energía solar térmica en el mundo La contribución de la solar térmica al consumo energético mundial sigue siendo muy escasa todavía, pese a que empiezan a percibirse ciertos síntomas de cambio que permiten ser más optimistas de cara al futuro. Al creciente interés de los ciudadanos por este tipo de soluciones hay que sumar las ayudas e incentivos que se han puesto en marcha en muchos países del mundo y la reducción de precios de los captadores solares en algunos mercados especialmente activos como China o Japón. Una situación que pone de manifiesto que estamos ante una tecnología madura que ha experimentado un significativo avance durante los últimos años. En la actualidad la capacidad de energía solar instalada en el mundo supera a la de otras renovables con altos índices de desarrollo, como es el caso de la energía eólica. Con una potencia instalada de 98,4 GW térmicos a finales de 2004 (Datos del Solar Heat Worldwide 2004, considerando 41 países que representan el 57% de la población mundial y el 85-90% del mercado mundial de solar térmica), la solar

24 22 Energía Solar Térmica térmica ha alcanzado unos niveles de popularidad impensables hace tan solo unos años. Y no exclusivamente por lo que a la producción de agua caliente se refiere, sino también en cuanto a la calefacción de viviendas. A día de hoy la mayor parte de los captadores solares instalados en el mundo tienen como finalidad la producción de agua caliente para uso doméstico. A esta aplicación se destinan los esfuerzos de la mayoría de los mercados nacionales importantes, aunque el tipo y el tamaño de las instalaciones, así como el porcentaje total de la demanda que cubre, varía en función de la zona del mundo a la que hagamos referencia. El aporte de energía solar en sistemas de calefacción es el segundo en importancia; una aplicación que resulta especialmente interesante en países fríos y que se utiliza cada vez con mayor frecuencia tanto para viviendas familiares como para todo tipo de instalaciones colectivas. Se trata de una opción cada vez más valorada en países como China, Australia, Nueva Zelanda o Europa, donde se entiende la edificación desde una perspectiva global en la que la energía solar puede ofrecer soluciones integradas en muy diversos ámbitos, y la calefacción constituye siempre un potencial muy atractivo. Finalmente entre las aplicaciones de la energía solar térmica en el mundo cabe también destacar la climatización del agua para piscinas. Esta aplicación sigue teniendo gran importancia en países como Estados Unidos, Canadá, Australia y Austria, aunque en los últimos años ha perdido parte de su mercado, después de un periodo en el que se han registrado fuertes crecimientos. Por lo que respecta al reparto de la energía solar térmica por países, el mercado mundial continua bajo el dominio de China. Se calcula que aproximadamente el 40% de los captadores solares colocados en el mundo se encuentran en este país. Después de alcanzar una gran aceptación en pequeños municipios durante las décadas de los años 80 y 90, la energía solar térmica en la República Popular China ha penetrado con fuerza en ciudades de medio y gran tamaño como Shangai o Tianjin. Hoy, 10 millones de familias disponen de agua caliente gracias

25 Situación actual 23 al Sol, lo que supone un ahorro de 6,3 millones de toneladas de carbón al año, que evita la emisión de más de 13 millones de toneladas de CO 2. A China le siguen Japón, Turquía, Alemania e Israel con altos índices de crecimiento en los últimos años. Entre ellos, llama especialmente la atención el desarrollo de la energía solar en Israel, donde alrededor del 85% de las viviendas están equipadas con captadores solares térmicos, como resultado de una ley de hace 20 años que requiere que todos los edificios de menos de 20 metros de altura deban estar dotados de sistemas solares térmicos en los tejados. Más espectacular si cabe resulta el caso de Chipre. El país que recientemente se ha incorporado a la Unión Europea es el que más cantidad de energía solar térmica aporta por habitante en el mundo, con 431 kwth (kw térmico) por cada habitantes. En este país más del 90% de los edificios construidos están equipados con captadores solares térmicos, lo que representa más del doble de la capacidad instalada por habitante en otros países europeos con gran tradición solar, como Grecia o Austria. Europa representa tan solo el 9% del mercado mundial de energía solar térmica 2.2 Situación en Europa Europa representa tan solo el 9% del mercado mundial de energía solar térmica con una potencia instalada de MWth (MW térmico) a finales de 2004, o lo que es lo mismo, un total de 14 millones de m 2 de captadores solares en funcionamiento. El impulso que ha recibido esta industria durante los últimos años, es lo que ha permitido dar un paso firme en el objetivo común de alcanzar los 100 millones de m 2 de superficie instalada que se pretenden conseguir en el horizonte de Aunque los objetivos contemplados por la Comisión Europea en su Libro Blanco todavía están demasiado lejos, lo cierto es que los primeros años de este nuevo milenio han resultado decisivos para el despegue definitivo de la tecnología solar térmica en Europa. Algo que no habría

26 24 Energía Solar Térmica sido posible sin el empuje solar de países como Alemania, Grecia, Austria y España que, en conjunto, representan el 78% de la capacidad instalada en Europa (Datos del Informe de la Federación de la Industria Solar Térmica Europea de Junio de 2005). La investigación de nuevas tecnologías de origen renovable es una de las señas de identidad del mercado europeo El uso de los captadores solares para producir agua caliente, al igual que ocurre en el resto del mundo, es la aplicación preferida por los europeos, seguida de la calefacción y de forma muy poco significativa la climatización de piscinas, que sólo tiene cierta importancia en Austria o Alemania. En países del norte de Europa también destaca el uso de colectores de aire para calentar el espacio, en especial en Suiza, con un total de 581 MWth producidos con esta tecnología, Noruega con 287 MWth instalados, y a más distancia Finlandia. Precisamente, la investigación de nuevas tecnologías de origen renovable es una de las señas de identidad del mercado europeo. Los países de la Unión Europea son los que están conduciendo el desarrollo de la industria solar térmica en la mayoría de las áreas tecnológicas. Sin embargo, esto podría dejar de ser así pronto, a no ser que los países de la Unión se decidan a ampliar significativamente la capacidad de energía solar instalada en cada uno de los mercados nacionales que forman parte de la Europa de los 25. Con el objeto de fomentar el uso de esta fuente renovable frente a otras opciones menos respetuosas con el entorno, la mayoría de países europeos conceden ayudas públicas a empresas y particulares. El objetivo de éstas es aumentar significativamente el parque solar a través de incentivos económicos que hagan más atractiva la energía solar térmica al usuario. El tipo de apoyo público más usual son las subvenciones directas, en cuantías que varían del 20% al 60%, como es el caso de Austria, Alemania, Dinamarca, España, Holanda o Suecia. El último en sumarse a esta forma de potenciar la energía solar térmica es Francia, donde se ha puesto en marcha el Plan Soleil, que permite deducir de la declaración de la renta más del 40% de los costes de instalación. Una iniciativa que ya empieza a dar sus frutos y que ha generado grandes expectativas a corto y medio plazo.

27 Situación actual 25 Por su parte, Alemania continúa con el programa Marktanreiz que tan buenos resultados le ha dado desde principios de los años 90 y que le ha llevado a colocarse como líder indiscutible en Europa, con MW térmicos instalados y una superficie de 5,7 millones de metros cuadrados. El 80% del mercado doméstico en este país corresponde a instalaciones-tipo para agua caliente sanitaria (ACS) en viviendas familiares, aunque también se están empezando a potenciar los sistemas solares de gran tamaño para suministrar calor a edificios comerciales, industrias, hospitales e incluso barriadas enteras. Grecia es el segundo país europeo en importancia en cuanto a volumen de mercado se refiere. Con un 14% del total de la superficie instalada en la Unión Europea, el país heleno dispone de un tejido solar que abastece de agua caliente a uno de cada cuatro habitantes. Después de varias décadas en las que el gobierno ha apoyado con decisión la instalación de paneles solares mediante incentivos fiscales y a través de campañas de publicidad en medios de comunicación, actualmente se han suspendido todos los privilegios con los que contaba esta tecnología en el pasado. Sin embargo, esta medida no ha repercutido en la demanda que, en 2004, aumentó un 34% respecto al año anterior. Esto pone de manifiesto el grado de satisfacción de los helenos con la energía solar térmica y su confianza en esta tecnología para producir agua caliente. 2.3 Situación en España España es el cuarto país europeo en el aprovechamiento de la energía solar térmica, por delante de países como Italia, Francia o Gran Bretaña. Con un 6% del total del mercado europeo, nuestro país ha alcanzado la madurez tecnológica y comercial tras más de 20 años de experiencia. No obstante, el desarrollo de la energía solar en España se ha producido a un ritmo muy desigual a lo largo de las últimas décadas. A finales de la década de los 70 y principios de los 80 se empezaron a dar los primeros pasos en el desarrollo de esta energía. Durante los primeros

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